基于凌阳单片机的环境测试仪毕业设计.docx

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基于凌阳单片机的环境测试仪毕业设计

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的环境测试仪

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

随着生活水平的提高，人们对居住环境也越来越关注．在电子产品突飞猛进地发展，电子测量仪表逐渐丰富起来的同时，原来的模拟产品逐步向数字化、综合化转化，并且不断走向人性化．该环境测量系统能够充分发挥人性化的特质，实现室内光线强弱、温度、湿度的检测．利用单片机自带的语音功能，配合传感器，实现带语音播报功能的环境测试仪的设计．本方案是采用凌阳科技公司的传感器数据采集模组进行室内温湿度及光线的测量，并通过LED键盘模组实现采集数据的显示．整个系统使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为控制板，实现室内环境的测量、显示和播报功能，从而完成一个环境测试仪器的设计．

关键词：

室内环境测量；SPCE061A单片机；语音播报

ABSTRACT

Astheimprovementoflivingstandard,peoplestarttopaymoreandmoreattentionfortheirlivingenvironment.TheoriginalanalogproductsturntoDigital,TantalizationandHumanizationstepbystep,whileelectronicproductsaredevelopingbyleapsandboundsandelectronicmeasurementinstrumentsaregraduallyenrich.Thisenvironmentalmeasuringsystemcanfullyexerthumanizedidiosyncratic,realizethedetectionofindoorlightintensity,temperature,andhumidity.ByusingthespeechfunctionofSCM,whichcoordinateswithtransducer,wecanrealizethedesignofEnvironmentTesterhavingspeechfunction.ThisschemeadoptsthesensordataacquisitionmoduleofSunplustotesttheindoortemperature,humidityandlight,andthroughLEDkeyboardmoduletorealizethedisplayofacquisitiondata.Thewholesystemusethe16-bitsinglechipSPCE061AofSunpluscompanyaspanel,realizingtheindoorenvironmentmeasurement,displayandreportingfunction,soastocompleteandesignofenvironmentaltestinstrument.

Keywords:

Indoorenvironmentmeasurement;SPCE061Amicrocontroller;voicereport

第1章绪论

1.1选题的目的和意义

近年来，生活水平的不断提高促使人们开始关注自身的居住环境，而不断成熟的传感器技术也使各种环境电子测量仪丰富起来．然而，市面上很少有能够同时测量温湿度及光线的室内环境测试仪，有鉴于此，本课题欲设计出一个传感器数据采集模组进行室内温湿度及光线的测量，通过LED键盘模组实现采集数据的显示．整个系统使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为控制板，实现室内环境的测量、显示和播报功能，从而完成一个环境测试仪器的设计．该环境测量系统能够充分发挥人性化的特质，实现室内光线强弱、温度、湿度的检测，利用单片机自带的语音功能，配合传感器，实现带语音播报功能的环境测试仪．

1.2传感器技术的发展和国内外研究概况

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一,也是当代科学技术发展的一个重要标志．可以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,是现代科技的开路先锋,它与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱．

传感器技术开发大体上可分为三代．第一代是结构型传感器，它利用结构参数的变化来感受和转换信号．例如,电阻应变式传感器,它利用了弹性敏感元件变形引起的应变计电阻变化．

第二代传感器是70年代发展起来的固体传感器．这类传感器由半导体、电介质、磁性体等固体元件构成,它利用了材料的某种特性随被测量的变化来感受和转换信号的原理，其结构参数在信号转换过程中基本不变．例如热电偶、光敏电阻和压电晶体传感器,分别利用了材料的热敏效应光敏效应和压敏效应．

70年代后期,由于集成电路技术迅速发展,可以把传感器和外围电路做在同一块芯片上，所以出现了集成传感器．使用这类传感器可以大大缩短电路设计时间,减少构成系统的部件数,提高了可靠性,从而实现了系统的小型化、轻量化和低价格化．现在能够实现集成化的传感器主要是热敏、力敏、光敏和磁敏等物理传感器．

由于集成传感器容易同计算机接口,所以发展非常迅速,目前已占传感器市场的2/3,现在集成传感器正向着低价格、多功能和系列化方向发展．但是,在高温、高湿、高压、

强磁、强振动、强冲击和强腐蚀等条件下,仍需使用结构型传感器．今后,结构型传感器将与微电子技术和计算机技术紧密结合向高精度发展．

第三代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器．随着大规模集成电路和微处理机技术的发展，可以把传感器、信号调节电路、微计算机、存储器及其接口集成在一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能．由于这类传感器本身具有数据处理能力,所以可借助软件对非线性滞后、温度等参数进行修正,可取代那种通过繁琐模拟补偿来改善特性的方法[1]．

目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家．美国、欧洲、俄罗斯各有从事传感器研究和生产厂家1000余家,日本有800余家,其中不少是世界上著名厂商,例如美国福克斯波罗（Foxboro）公司,霍尼韦尔（Honeywell）公司、德国的西门子、荷兰的飞利浦、俄罗斯的科学院半导体所、热工仪表所等．

传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一．因此，今后一段时间内，对传感技术的应用将更为广泛，如航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、农林、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到人类活动的各个领域．

1.3设计任务和要求

1.3.1设计任务

􀀂利用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为控制板，外接温湿度及光电传感器进行数字化采集，通过内部语音算法将结果播报出来，同时利用LED数码模块将所测数据显示出来．

1.3.2设计要求

1通过按键监测环境光线状况，根据光线强弱系统会进行温馨提示：

如果光线太弱，系统播报“光线太弱，请注意保护眼睛”；如果光线太强，系统播报“光线太强，请注意保护眼睛”；

2播放当前温度值：

播放温度值的格式为“温度，XX摄氏度”；

3可以通过按键启动湿度测量，根据湿度情况系统会进行温馨提示：

如果湿度大于正常值，系统播报“潮湿，请打开除湿机”；如果湿度小于正常值，系统播报“太干，请打开加湿器”．

第2章系统组成介绍

2.1凌阳单片机——SPCE061A芯片简介

凌阳的16位单片机的CPU内核采用凌阳最新推出的μ’nSP（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片．由于芯片内部加入了硬件乘法器，这样凌阳单片机即可以做控制，也可以完成数据的信息的处理，尤其是在图像识别和语音识别上，有自己的特色．而且凌阳单片机还采用了SOC理念，一颗芯片就是一个系统，把传统单片机学要扩展的AD、DA、存储器等器件都做到了芯片内容，方便了单片机的学习和项目的开发．μ’nSP家族有以下特点:

体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展；具有较强的中断处理能力高性能价格比；指令系统功能强、效率高；功耗低、电压低．

SPCE061A精简开发板—61板结合集成开发环境不需外界任何仿真、调试器即可以完成在线编程、仿真、调试功能． 

SPCE061A精简开发板—61板配有在线调试器、麦克风等．用户不需外接任何器件即可以完成语音录放等功能．用户可以将自己喜爱的歌曲录制到芯片中，即可听到自己录制的歌曲．因开发板小巧精致，甚至可以放到衣袋里，倾听自己的作品[2]．

图2-1板功能分区图

SPCE061A是一款基于μ’nSP内核的16位单片机，其芯片特性如下：

（1）工作电压：

内核工作电压VDD为3.0~3.6V（CPU），I/O口工作电压VDDH为VDD~5.5V；

（2）CPU时钟：

0.32MHz~49.152MHz；

（3）内置2K字SRAM和32K字闪存ROM；

（4）系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电小于2μA@3.6V；

（5）具备触键唤醒的功能；

（6）32位通用可编程输入/输出端口；

（7）2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；

（8）7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；

（9）2个10位DAC（数-模转换）输出通道；

（10）14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；

（11）具备串行设备接口；

（12）低电压复位（LVR）功和低电压监测（LVD）功能；

（13）内置在线仿真（ICE，In-CircuitEmulator）接口[3]．

图2-2SPCE061A内部结构图

SPCE061A引脚说明：

表2-1芯片引脚说明

引脚

说明

IOA0～IOA15（41～48,53,54～60脚）

I/O口A，共16个

IOB0～IOB15（5～1,81～76,68～64脚）

I/O口B，共16个

OSCI（13脚）

振荡器输入．在石英晶振模式下，是石英元件的一个输入脚．

OSCO（12脚）

振荡器输出．在石英晶振模式下，是石英元件的一个输出脚．

RES_B（6脚）

复位输入．若这个脚输入低电平，会使得控制器被重置复位．

ICE_EN（16脚）

IC使能端,接在线调试器PROBE的使能脚ICE_EN．

ICE_SCK（17脚）

ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE_SCK．

ICE_SDA（18脚）

ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE_SDA．

PVIN（20脚）

程序保密设定脚．

PFUSE（29脚）

程序保密设定脚．

DAC1（21脚）

音频输出通道1．

DAC2（22脚）

音频输出通道2．

VREF2（23脚）

2V参考电压输出脚．

AGC（25脚）

语音输入自动增益控制引脚．

OPI（26脚）

Microphone的第二运放输入脚．

MICOUT（27脚）

Microphone的第一运放输出脚．

MICN（28脚）

Microphone的负向输入脚．

MICP（33脚）

Microphone正向输入脚．

VRT（35脚）

A/D转换外部参考电压输入脚．它决定A/D转换输入电压上限值．例如该点输入一个2.5V的参考电压，则A/D转换电压输入范围为0～2.5V．（外部A/D最高参考电压<3.3V）．

VCM（34脚）

ADC参考电压输出脚．

VMIC（37脚）

Microphone电源．

SLEEP（63脚）

睡眠状态指示脚．当CPU进入睡眠状态时，该脚输出一个高电平．

VCP（8脚）

锁相环压控振荡器的阻容输入．

XROMT、PVPP、XTEST（61、69、14脚）

出厂测试用管脚，悬空即可．

VDDH（51、52、75脚）

I/O电平参考．该点输入一个5V的参考电压，则I/O输入输出高电平为5V．

VDD（7脚）

PLL锁相环电源．

VSS（9脚）

锁相环地．

VSS（19、24脚）

模拟地．

VSS（38、49、50、62脚）

数字地．

VSS（15、36脚）

数字电源．

2.2温度传感器——DS18B20介绍

2.2.1DS18B20概述

传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，采用热敏电阻，可满足40℃至90℃测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准确率低，对于小于1℃的温度信号是不适用的，还得经过专门的接口电路转换成数字信号才能由微处理器进行处理．

与传统的热敏电阻有所不同的是，DS18B20数字式温度传感器，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度．同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化．部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期．

DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：

（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯．单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念．

（2）测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃~+125℃；在-10~+85℃范围内，精度为±0.5℃．

（3）在使用中不需要任何外围元器件即可实现测温．

（4）多点组网功能多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温．

（5）供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源．因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高．

（6）测量参数可配置DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9~12位．

（7）负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作．

（8）掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值．

DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐[4]．

2.2.2DS18B20测温原理

图2-3DS18B20的内部测温电路框图

低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲．高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲．图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量．计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值．减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度．斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值[5]．

2.2.3DS18B20的内部结构

图2-4DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构如图2-4所示，主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器．

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码．64位光刻ROM的排列是：

开始8位（地址：

28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，并且每个DS18B20的序列号都不相同，因此它可以看作是该DS18B20的地址序列码；最后8位则是前面56位的循环冗余校验（CRC=X8+X5+X4+1）．由于每一个DS18B20的ROM数据都各不相同，因此微控制器就可以通过单总线对多个DS18B20进行寻址，从而实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的．

MSBLSBMSBLSBMSBLSB

图2-564B闪速ROM

    DS18B20中的温度传感器用于完成对温度的测量，它的测量精度可以配置成9位，10位，11位或12位四种状态．温度传感器在测量完成后将测量的结果存储在DS18B20的两个8BIT的RAM中，单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后．数据的存储格式如下图（以12位转化为例）：

图2-6温度信号寄存器格式

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度．

例如：

+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H．

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T

2.2.4DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器．数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM．

暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位TL，第二个字节是温度的高八位TH．第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新．第六、七、八个字节用于内部计算．第九个字节是冗余检验字节，可用来保证通信正确．DS18B20的分布如下：

图2-7DS18B20的暂存寄存器分布

在64BROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）．主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确．

设置寄存器：

该位于高速闪存的第5个字节，这个寄存器中的内容被用来确定测试模式和温度的转换精度．寄存器各位的内容如下：

图2-8DS18B20的设置寄存器各位内容

该寄存器的低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式．在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动．R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

图2-9分辨率设置

由表可知，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长．因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑．

2.3湿度传感器——HS1101介绍

2.3.1HS1101概述

HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性．湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产．可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等．它有以下几个显著的特点[6]：

（1）全互换性，在标准环境下不需校正

（2）长时间饱和下快速脱湿

（3）可以自动化焊接，包括波峰或水浸

（4）高可靠性与长时间稳定性

（5）专利的固态聚合物结构

（6）可用于线性电压或频率输出回路

（7）快速反应时间

图2-10HS1101实物照

2.3.2HS1101性能参数

HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃，精度较高．

图2-11HS1101湿度－电容响应曲线

HS1101的一些常用参数如下表2-2：

表2-2HS1101常用参数

参数

符号

参数值

单位

工作温度

Ta

-40～100

℃

储存温度

Tstg

-40～125

℃

供电电压

Vs

10

Vac

湿度范围

RH

0～100

%RH

焊接时间@=260℃

t

10

S

2.3.3HS1101湿度测量方案简述

对于湿度测量仪，除了具有一个控制器控制测量外，还需要测量器．本系统中采用SPCE061A作为控制器，电容式湿度传感器HS1101作为测量器，利用一个按键来启动湿度测量和语音播放．由于电容不能直接和SPCE061A的I/O口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE061A的Feedback接口IOB2、IOB4，IOB3、IOB5连接，实现从电容到频率的转换，系统的结构框图如下图：

图2-12HS1101测温结构框图

SPCE061A单片机作为主控芯片，根据读到的键值判断是否启动测量，测量时负责读取Feedback电路的工作频率，根据频率计算HS1101的电容和它所在环境的湿度，并把湿度通过喇叭播放出来．同时如果湿度值太高或者太低，系统会播放温馨提示．

2.4光敏电阻测量光线原理

2.4.1光敏电阻器简介

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大．